土壤养分循环

第十章土壤养分循环

土壤养分循环：是指在生物参与下，营养元素从土壤到生物，再从生物回到土壤的循环过程，是一个复杂的生物地球化学过程。土壤元素通常可以反复的再循环和利用,典型的再循环过程包括：

（1）生物从土壤中吸收养分

（2）生物的残体归还土壤

（3）在土壤微生物的作用下，分解生物残体，释放养分

（4）养分再次被生物吸收

一、土壤氮素循环

（一）氮素循环由两个重叠循环构成，一是大气层的气态氮循环，几乎所有的气态氮对大多数植物无效，只有若干种微生物或少数与微生物共生的植物可以固定大气中的有效氮。另一个是土壤氮的循环，即在土壤植物系统中，氮在动植物体、微生物体、土壤有机质、土壤矿物质各分室中的转化和迁移，包括有机氮的矿化和无机氮的生物固持作用、粘土对氨的固定和释放作用、硝化和反硝化作用、腐殖质形成和腐殖质稳定化作用。

（二）土壤的氮的获得（来源）

1土壤氮的获得（来源）

（1）土壤母质中的矿质元素

（2）大气中分子氮的生物固定

大气和土壤空气中的分子态氮不能被植物直接吸收、同化，必须经生物固定为

有机氮化合物，直接或间接地进入土壤。

（3）雨水和灌溉水带入的氮

灌溉水带入土壤的氮主要是硝态氮形态，其数量因地区、季节和降雨量而异。

大气层发生自然雷电现象，可使氮氧化成NO2及NO等氮氧化物。

（4）施用有机肥和化学肥料

2土壤N存在形态

土壤无机态氮主要是铵态氮和硝态氮，是植物能直接吸收利用的有效态氮。有机态氮是土壤氮的主要存在形态，一般占土壤全量氮的95%以上，按其溶解度的大小及水解的难易分为水溶性有机氮、水解性有机氮和非水解性有机氮三类。

土壤溶液中的铵、交换性铵和硝态氮因能直接被植物根系所吸收，常总被称为速效态氮。

3土壤中氮的转化

（1）有机态氮的矿化过程

含氮的有机化合物，在多种微生物的作用下降解为简单的铵态氮的过程

矿化过程：

第一阶段：把复杂的含氮化合物的含氮化合物，如蛋白质、核酸、氨基糖及其多聚体等，经过微生物酶的系列作用下，逐级分解而形成简单的氨基化合物，称之为氨基化阶段。

然后在微生物作用下，各种简单的氨化物分解成氨，称为氨化作用，氨化作用可在不同条件下进行。

（2）硝化过程

有机氮矿化释放氨（氨、胺、酰胺）在土壤中转化为铵离子，铵离子通过微生物作用氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，再把亚硝态氮转化为硝态氮的作用称为硝化作用。（3）无机态氮生物的固定

矿化作用生产的铵态氮、硝态氮和某些简单的氨基态氮，通过微生物和植物的吸收同化，成为生物有机体组成部分，称为无机氮的生物固定。

（4）铵离子的矿物固定

指的是离子直径大小与2：1型粘粒矿物晶架表面孔穴大小接近的铵离子，陷入晶架表面的孔穴内，暂时失去了它的生物有效性，转变为固定态铵过程。

4土壤氮的损失

（1）淋洗损失

铵（NH4+）和硝酸盐（NO3-）在水中溶度很大，易被淋洗，随着渗漏水的增加，硝酸盐的淋失增大。土壤氮还可以随地表径流进入河流、湖泊等水体中，由地表水径流带走的氮除硝酸盐外，还有土壤粘粒表面的铵离子和部分的有机氮。通过淋洗或径流进入地下水或河、湖的氮，能引起水体富营养化。

（2）气体损失

土壤氮可通过两个机制形成气体氮逸出进入大气，它们是反硝化作用和氨挥发。

（1）反硝化作用：在嫌氧条件下，硝酸盐在反硝化微生物作用下，还原为N2、N2O 或NO的过程称为反硝化作用。

（2）氨挥发：氨挥发易发生在石灰性土壤上，特别表施铵态氮和尿素等化学氮肥时。

（3）土壤中的含氮化合物还可能通过纯化学反应形成气态氮而损失。

5土壤氮的调控

土壤氮素调控是指人为活动的调节管理，即通过科学合理施肥、耕作、灌溉等措施，发挥土壤氮素的潜在作物营养功能，以满足作物高产量、高效益和优良品质的需要。

矿质氮素的纯矿化量：有机氮的矿化量与矿质氮固定量之差。

（1）C/N比

有机营养型微生物在分解有机质使之矿化过程中，需要以有机质中所含的碳作为能源，并利用碳源作为细胞体的构成物质，同时在营养上还需氮的供应，以保持细胞体构成中C/N比例的平衡。氮的来源除由有机质供应外，还可吸取利用土壤中的铵态或硝态氮，以补其不足。如果有机质本身所含C/N比值超过某一定数值，微生物在有机质矿化过程中就会产生氮素营养不足的现象，其结果使土壤原有矿质态有效氮也被微生物吸收而被同化，这样植物不仅不能从有机质矿化过程中获得有效氮的供应，而相反地会使土壤中原来所含的有效氮也暂时失去了植物的有效性，结果产生了土壤有效氮素的所谓微生物同化固定现象。另一方面，如果有机质C/N比值小于某一值，则情况就恰恰相反，这是矿化作用结果产生的纯矿化氮较高，除满足微生物自身在营养上的同化需要外，还可提供给植物吸收利用。在实施秸秆还田时，应同时注意速效氮肥的补充。

（2）施肥的影响

施肥促进土壤有机质的矿化作用表现在：一是施用新鲜的有机物质如秸秆、绿肥等，能激发土壤原来有机质的分解，这称为激发效应。加入新鲜有机能源物质，引发了原来腐殖质的分解，增强了它的矿化作用。二是施用矿质氮肥也能促使原来土壤有机氮的分解、释放，也称为激发效应。

（3）淹水、灌溉的影响

在水田剖面的不同层次上，氮素的形态不同；在水田中无机氮素以铵态氮为主；反

硝化作用明显。

二、土壤磷和硫的循环

（一）土壤磷的形态和数量

（1）无机磷化合物：土壤中无机磷种类较多，成分较复杂，大致可分为：水溶态、吸附态和矿物态。水溶态磷除解离或络合的磷酸盐外，还有部分

聚合态磷酸盐以及某些有机磷化合物。吸附态磷指的是那些通过各种作

用力被土壤固相表面吸附的磷酸根或磷酸阴离子。石灰性土壤中主要是

磷酸钙盐，酸性土壤以磷酸铁和磷酸铝盐为主。

（2）有机磷化合物

土壤有机磷的变幅很大，可占表土全磷的20%-80%。

（二）土壤磷循环与转化

1土壤磷的循环

磷与土壤矿物质紧密结合，除了随土壤侵蚀通过地表径流流失损失外，土壤中

磷的淋失损失几乎可以忽略不记。磷循环主要在土壤、植物和微生物中进行，

其过程为植物吸收土壤有效态磷，动植物残体磷返回土壤再循环；土壤有机磷

（生物残体中磷）矿化；土壤固结态磷的微生物转化；土壤粘粒和铁铝氧化物

对无机磷的吸附解吸，溶解沉淀。

2土壤磷的转化

土壤磷的转化包括一系列复杂的化学和生物化学反应过程，归纳起来主要是沉

淀和溶解反应，吸附和解吸反应，以及有机磷的矿化和无机磷的生物固定。

（1）成土过程中磷的转化

自然成土过程中随着成土时间的推移，矿物风化释放磷被新生矿物吸附、

固定，使土壤钙结合态磷逐渐降低，铁、铝磷酸盐逐渐增加。随着成土

过程的发展、分化程度高的砖红壤铁磷含量最高，其次为铝磷、钙磷的

含量较少。风化程度居中的黄棕壤，无机磷组成属于过度类型。同时在

这转化过程中，有机磷随腐殖质的增加而积聚，成为土壤中磷的重要成

分。

（2）施入耕地土壤中可溶性磷酸盐的转化

可溶性化学磷肥（磷酸二氢钙）施入土壤后，很快转变为不溶性或缓效

磷，称为固磷作用。磷肥在土壤中的生物利用率低。这是因为施如土壤

的可溶性磷与铁、铝氧化物和水化氧化物，层状硅铝酸盐、碳酸钙以及

钙、铁、铝等发生沉淀反应和吸附反应。在石灰性土壤中，通过一系列

的沉淀反应最后称为羟基磷灰石或氟磷灰石。在酸性土壤中最后则称为

磷酸铁、铝。

3土壤磷的调节

（1）活性磷和磷的固定

只有那些不溶性磷化合物和保持在粘粒或有机质中的固持态磷才称为固定态的磷，

又称为非活性磷。土壤中可被植物吸收利用的磷组分称为土壤的有效磷。

（2）提高土壤磷的有效性的途径

（1）调节土壤酸碱度：Ph6.5-6.8之间为宜，可减少磷的固定作用，提高土壤磷的有效性。

（2）增加土壤有机质